JP6723631B2 - 操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、手の力で筐体に歪みを与えて入力信号を生成する操作装置に関する。

特許文献１と特許文献２に、手の把持力で入力信号を生成する操作装置に関する発明が記載されている。

特許文献１に記載された入力装置は、ゴムで形成されたボール状の外殻で感圧部が形成されている。感圧部を握って押圧すると内部の気圧が高められ、内部の気圧の変化が圧力センサで検知される。

特許文献２に記載された入力装置は、握り部の内部に空気室が設けられており、空気室が空気圧伝送路を介して圧力センサに接続されている。握り部の外壁部は、ゴムなどの弾性材で球状に形成されている。握り部が握り潰されて内部の空気圧が高めると、その圧力が圧力センサで検知されて、入力操作が行われたことが検知される。

特開平６−１９６１８号公報 特開２０００−１５７７１６号公報

特許文献１と特許文献２に記載された入力装置は、いずれもゴムで形成された球状の操作体を手で握って圧力センサで検知を行うものである。

この入力装置は、操作体がゴム製であるため、手で握ったときの抵抗感が弱く、硬質な把持感触を得ることができない。また、操作体をある程度押し込んで変形させないと圧力センサが動作しないため、敏感な入力操作には不向きである。また、振動機構などのフィードバック機構で手に操作反力を与えようとしても、ゴム製の操作体から手に振動などを与えることは難しい。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、比較的剛性の高い筐体を手で握ることで入力操作を行うことができ、敏感な入力操作も可能で、手への操作反力の伝達も可能な操作装置を提供することを目的としている。

本発明は、手に保持可能な筐体を有する操作装置において、
前記筐体は、中心軸の延びる方向である長手方向の寸法が、前記中心軸と直交する方向での幅寸法の最大値よりも大きく、前記筐体に外力が作用して歪みが発生したときに出力が変化する圧電センサと、前記圧電センサの検知出力から操作信号を生成する制御部と、が設けられ、複数の前記圧電センサは、それぞれ前記中心軸を中心とする周方向へ延び、且つ隣接する圧電センサどうしが、前記中心軸と平行な方向に見たときに一部が重複するように、前記周方向に位置をずらして配置されていることを特徴とするものである。ここで圧電センサが「歪みが発生したときに出力が変化する」とは、例えば歪み速度に応じて出力が変化することや、歪みの加速度に応じて出力が変化すること、または歪みの大きさで出力が変化することなど、筐体の歪みに起因して出力が変化することを意味している。

本発明の操作装置は、前記中心軸を挟んだ対象位置に圧電センサが配置されており、対称位置にある２個の前記圧電センサが直列に接続されていることが好ましい。

本発明の操作装置は、前記中心軸と直交する平面において、前記筐体に力を与える力作用部と前記中心軸とを通る線を第１仮想線とし、前記筐体の前記力による歪みが極小となる部分のうちの前記力作用部に最も近い部分と前記中心軸とを通る線を第２仮想線としたときに、
前記第１仮想線上と前記第２仮想線上に、それぞれ異なる前記圧電センサの中心部が位置していることが好ましい。
例えば、前記第１仮想線と前記第２仮想線の成す角度が４５度である。

この場合に、前記圧電センサの前記中心軸と平行な方向で重複している寸法は、それぞれの前記圧電センサの前記中心軸を中心とする周方向に向く幅寸法の１／２であることが好ましい。

また、前記第１仮想線上と前記第２仮想線上に位置する前記圧電センサは、前記周方向に８０〜９０度の角度の幅寸法を有していることが好ましい。

本発明の操作装置は、前記第１仮想線と前記第２仮想線の対向角度の範囲内に、前記中心軸を通る他の仮想線が設けられ、前記他の仮想線上に、幅方向の中心が位置する他の圧電センサが設けられているものであってもよい。

本発明の前記操作装置は、例えば、前記圧電センサが、前記筐体の内面に貼られた圧電フィルムセンサである。
本発明の操作装置は、前記筐体の内部に力発生部が設けられていることが好ましい。

本発明の操作装置は、圧電センサで筐体の歪み速度などを検知して入力信号を生成しているため、操作者は比較的剛性が高い筐体を保持したまま操作することができ、従来になり敏感な入力操作を行うことができる。

また、振動などを発生する力発生部を筐体に設置することも可能であり、敏感な入力操作と敏感な操作反力を感じることができる。

本発明の第1の実施の形態の操作装置の使用方法を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態の操作装置の使用方法を示す説明図、 本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態の操作装置における、筐体の内部の圧電センサの配置例を示す斜視図、 図３をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図、 筐体の内部の圧電センサの配置例の変形例を示す断面図、 図５に示す操作装置の圧電センサの接続例を示す説明図、 （Ａ）（Ｂ）は、２つの圧電センサの配置角度と検知出力との関係を示す線図、 ２つの圧電センサの配置角度と検知出力のばらつきとの関係を示す線図、 本発明の第３の実施の形態の操作装置に使用される球体の筐体を示す説明図、 （Ａ）（Ｂ）は、球体である筐体に対する圧電センサの配置例を示す説明図、 （Ａ）（Ｂ）は、球体である筐体に対する圧電センサの配置例を示す説明図、 操作装置に使用されている力発生部の構造を模式的に示す説明図、 操作装置に付随する回路のブロック図、 （Ａ）（Ｂ）は、操作装置を操作したときの表示画面の表示例を実施の形態別に示す説明図、

図１に、本発明の第１の実施の形態の操作装置１０Ａの使用例が示され、図２に、本発明の第２の実施の形態の操作装置１０Ｂの使用例が示されている。図１に示す操作装置１０Ａは、筐体１１Ａの外形が卵形状であり、図２に示す操作装置１０Ｂは、筐体１１Ｂの外径が円筒状である。

図１に示す使用例では、卵型の操作装置１０Ａが片手で保持され、例えば親指で筐体１１Ａのいずれかの箇所を押圧することで、あるいは複数の指または手の全体で筐体１１Ａを握ることで装置本体１が操作される。操作装置１０Ａと装置本体１はコードで結合され、または無線通信で結合されている。装置本体１は表示装置２を有している。表示装置２はカラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。装置本体１はパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。

図２に示す使用例では、円筒状の操作装置１０Ｂが片手で保持され、例えば親指で筐体１１Ｂのいずれかの箇所を押圧することで、あるいは複数の指または手の全体で筐体１１Ｂを握ることで装置本体３が操作される。装置本体３は、目の前方に装着するマスク型本体４と、マスク型本体４を頭部に装着するためのストラップ５を有している。マスク型本体４に、表示装置６が設けられている。表示装置６は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。操作装置１０Ｂと装置本体３はコード７で接続される。あるいは操作装置１０Ｂと装置本体３は無線通信で結合されている。

図２に示す使用例では、表示装置６で、いわゆるバーチャルリアリティー画像を表示させることが可能である。

なお、図１に示す卵型の操作装置１０Ａで、図２に示す装置本体３を操作することができるし、図２に示す円筒状の操作装置１０Ｂで、図１に示す装置本体３を操作することもできる。

図１に示す操作装置１０Ａの筐体１１Ａは、長手方向に延びる中心軸Ｏ１を有しており、筐体１１Ａに対して、中心軸Ｏ１に向く歪みを与えることが可能である。図２に示す操作装置１０Ｂの筐体１１Ｂも、長手方向に延びる中心軸Ｏ１を有しており、筐体１１Ｂに対して、中心軸Ｏ１に向く歪みを与えることが可能である。筐体１１Ａと筐体１１Ｂは、共に長手方向に延びる中心軸Ｏ１を有しているため、内部の圧電センサの配置を同じように構成することができる。筐体１１Ａと筐体１１Ｂは、合成樹脂や軽金属などで形成されて比較的剛性が高くなっている。筐体１１Ａ，１１Ｂは、外力が与えられたときに、ゴムやエラストマなどのように容易に変形することがなく、ただし、歪みを発生できる程度の硬さと厚さ寸法で形成されている。

筐体１１Ａと筐体１１Ｂのように、中心軸Ｏ１の延びる方向である長手方向の寸法が、中心軸Ｏ１と直交する方向での幅寸法の最大値よりも大きいものである場合に、筐体１１Ａ，１１Ｂのいずれかの箇所を中心軸Ｏ１に向けて押すと、筐体の内面に伸び歪みが極大となる部分と圧縮歪みが極大となる部分が現れる。また、伸び歪みが極大となる部分と圧縮歪みが極大となる部分の間に、歪みの絶対値が極小となる部分が存在する。

図３と図４では、図１に示す操作装置１０Ａの筐体１１Ａと、図２に示す操作装置１０Ｂの筐体１１Ｂを、共通の符号１１で示している。前記操作装置１０Ａと１０Ｂでは、図４に示すように筐体１１の断面が円形である。中心軸Ｏ１は、筐体１１の断面形状の図心を通過して、筐体１１の長手方向に延びる線である。図４の断面図に、中心軸Ｏ１すなわち図心を通る第１仮想線Ｌ１と、前記第１仮想線Ｌ１と直交する第３仮想線Ｌ３が示されている。また、図心を通って第１仮想線Ｌ１と４５度の角度を有する第２仮想線Ｌ２、および第２仮想線Ｌ２と直交する第４仮想線Ｌ４が示されている。

図４に示すように、長手方向に延びる中心軸Ｏ１を有し断面が円形の筐体１１では、第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１，Ｐ２の少なくとも一方で、筐体１１に対して、中心軸Ｏ１に向く押圧力Ｆ１が与えられると、第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１，Ｐ２で筐体１１の内面に伸び歪みが発生し、第３仮想線Ｌ３が通過する部分Ｐ３，Ｐ４で筐体１１の内面に圧縮歪みが発生する。よって、部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも１か所に圧電センサを配置して延び歪みの速度または圧縮歪みの速度を測定することで、押圧力Ｆ１の大きさを推定できる。

また、第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１，Ｐ２の少なくとも一方を力作用部として、筐体１１に対して、中心軸Ｏ１に向かう押圧力Ｆ１を与えたときに、第２仮想線Ｌ２が通過する部分Ｐ５，Ｐ６と第４仮想線Ｌ４が通過する部分Ｐ７，Ｐ８で、筐体１１の歪みの絶対値が極小となる。筐体１１が真円の場合、理論的には、部分Ｐ５，Ｐ６および部分Ｐ７，Ｐ８で歪みはゼロである。逆に、部分Ｐ５，Ｐ６の少なくとも一方を力作用部として、中心軸Ｏ１に向かう押圧力を与えたときには、部分Ｐ５，Ｐ６で筐体１１の内面に伸び歪みが発生し、第２仮想線Ｌ２と直交する第４仮想線Ｌ４が通過する部分Ｐ７，Ｐ８で筐体１１の内面に圧縮歪みが発生する。ただし、部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４では、筐体１１の歪みの絶対値が極小になる。

第１の実施の形態の操作装置１０Ａと第２の実施の形態の操作装置１０Ｂでは、図３と図４に示すように、第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１に第１圧電センサＳ１ａが配置され、第２仮想線Ｌ２が通過する部分Ｐ５に第２圧電センサＳ２ａが配置されている。第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａは、筐体１１の内面に貼られている。

第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１，Ｐ２と、第３仮想線Ｌ３が通過する部分Ｐ３，Ｐ４のいずれかの箇所が、中心軸Ｏ１に向けて押されると、第１圧電センサＳ１ａから得られる電圧の絶対値が極大値になる。第２仮想線Ｌ２が通過する部分Ｐ５，Ｐ６と、第４仮想線Ｌ４が通過する部分Ｐ７，Ｐ８のいずれかの箇所が、中心軸Ｏ１に向けて押されると、第２圧電センサＳ２ａから得られる電圧の絶対値が極大値になる。

第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ１と第２仮想線Ｌ２が通過する部分Ｐ５との中間位置で、筐体１１が中心軸Ｏ１に向けて押されたときは、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａのそれぞれの電圧が変化する。部分Ｐ１と部分Ｐ５との間が押されたときの第１圧電センサＳ１ａの出力と第２圧電センサＳ２ａ出力の双方を効率的に得るためには、第１圧電センサＳ１ａの中心軸Ｏ１を中心とする周方向での幅寸法が、９０度の角度に相当し、第２圧電センサＳ２ａの幅寸法も、９０度の角度に相当することが好ましい。この場合、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの重複寸法は、各圧電センサの周方向の幅寸法の１／２となる。

ただし、第１圧電センサＳ１ａの幅寸法が、９０度の角度範囲を超えると、検知出力が低下することになる。例えば、部分Ｐ１が力作用部となって筐体１１が押されると、第１圧電センサＳ１ａに伸び歪みが発生するが、部分Ｐ１を中心とする９０度の範囲を超えた領域に第１圧電センサＳ１ａの一部が存在すると、この部分に圧縮歪みが発生し、第１圧電センサＳ１ａに極性の相違する電圧が発生して出力を打ち消すようになる。よって、各圧電センサの幅寸法は８０〜９０度の範囲が好ましく、最も好ましくは９０度である。

図４に示すように、第１仮想線Ｌ１上では、第１圧電センサＳ１ａと中心軸Ｏ１を挟んで対称位置に第１対向圧電センサＳ１ｂが配置されている。第１対向圧電センサＳ１ｂは、第１仮想線Ｌ１が通過する部分Ｐ２を中心として、９０度の角度に相当する幅寸法を有している。第２仮想線Ｌ２上では、第２圧電センサＳ２ａと中心軸Ｏ１を挟んで対称位置に第２対向圧電センサＳ２ｂが配置されている。第２対向圧電センサＳ２ｂは、第２仮想線Ｌ２が通過する部分Ｐ６を中心として、９０度の角度に相当する幅寸法を有している。この構造で第１圧電センサＳ１ａと第１対向圧電センサＳ１ｂを直列に接続し、第２圧電センサＳ２ａと第２対向圧電センサＳ２ｂを直列に接続することで、検知出力をほぼ２倍に拡大することができる。ただし、第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂを設けなくても、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａとで、筐体１１に各方向から与えられる押圧力を検知することができる。

図３に示すように、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの重複部分では、各圧電センサＳ１ａ，Ｓ２ａが中心軸Ｏ１に沿う方向に並んで配置されている。第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂの重複部分も、中心軸Ｏ１に沿う方向に並んで配置されている。第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａは複数組設けられ、第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂも複数組設けられることが好ましい。

第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａ、および第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂは、圧電フィルムセンサである。圧電フィルムセンサは、例えば圧電効果を有するプラスティック材料であるＰＶＤＦ（Poly Vinylidene Di Fluoride）の両表面に電極層が形成されたものである。

あるいは、それぞれの圧電センサおよび対向圧電センサは、例えば、ＰＥＴフィルムなどの樹脂フィルム上にカーボン電極をスクリーン印刷し、その上に圧電ペーストを積層印刷する。さらにその上にカーボン電極を積層印刷し、絶縁オーバーコート層を積層印刷する構造の圧電フィルムセンサであってもよい。この場合の、圧電ペーストとしては、ニオブ酸カリウムや、ニオブ酸ナトリウムカリウム、チタン酸バリウムなどのペロブスカイト型強誘電体粉と熱可塑性のポリエステルウレタン樹脂を混ぜたペーストなどが使用される。

第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａ、および第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂとして使用される圧電フィルムセンサは、歪みが発生したときに出力が変化するものであり、伸び歪みが与えられたときと圧縮歪みが与えられたときとで、電極間で逆極性の電圧が得られる。本明細書での「歪みが発生したときに出力が変化する」とは、歪み速度に応じて出力が変化することである。あるいは、電子回路との組み合わせによって、歪みの加速度に応じて出力が変化すること、または歪みの大きさで出力が変化することなど、筐体の歪みに起因して出力が変化する全ての検出方法を意味している。

図６に示すように、複数の第１圧電センサＳ１ａの全てと、複数の第１対向圧電センサＳ１ｂの全てが、互いに直列に接続されて検知回路１５に与えられ、複数の第２圧電センサＳ２ａの全てと、複数の第２対向圧電センサＳ２ｂの全てが、互いに直列に接続されて検知回路１５に与えられる。なお、第１対向圧電センサＳ１ｂと第２対向圧電センサＳ２ｂを設けない場合には、複数の第１圧電センサＳ１ａの全てが直列に接続されて検知回路１５に与えられ、複数の第２圧電センサＳ２ａの全てが直列に接続されて検知回路１５に与えられる。

図７（Ａ）（Ｂ）に、検知回路１５で得られる検知出力が示されている。図７（Ａ）は、図４に示すように、第１圧電センサＳ１ａの幅方向の中心と第２圧電センサＳ２ａの幅方向の中心が、中心軸Ｏ１に対して４５度の角度で配置されているときの検知出力を示している。図７（Ｂ）は、比較例として、第１圧電センサＳ１ａの幅方向の中心と第２圧電センサＳ２ａの幅方向の中心が、中心軸Ｏ１に対して２０度の角度で配置されているときの検知出力を示している。図７（Ａ）（Ｂ）のいずれも、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの幅寸法を、共に９０度の角度に相当する寸法に設定して出力を測定した。

図７（Ａ）（Ｂ）では、第１圧電センサＳ１ａの出力（電圧変化）または、第１圧電センサＳ１ａと第１対向圧電センサＳ１ｂの出力の加算値を（ｉ）で示し、第２圧電センサＳ２ａの出力（電圧変化）または、第２圧電センサＳ２ａと第２対向圧電センサＳ２ｂの出力の加算値を（ｉｉ）で示している。そして、出力（ｉ）と出力（ｉｉ）の加算出力を（ｉｉｉ）で示している。

図７（Ａ）は、図４に示す断面図において、第１仮想線Ｌ１と筐体１１との交差部分Ｐ１を力作用部として中心軸Ｏ１に向く一定の力を与え、この一定の力を与える力作用部を、時計方向へ３６０度の角度で移動させていったときの、出力（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）の変化を示している。図７（Ｂ）も、同様にして、力作用部を、部分Ｐ１を起点として３６０度移動したときの出力（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）の変化を示している。

図７（Ａ）に示すように、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの中心部を、中心軸Ｏ１に対して４５度の角度で配置すると、力作用部を筐体１１の表面に沿って３６０度移動させたときに、加算出力（ｉｉｉ）のばらつきが小さくなる。これに対し、図７（Ｂ）に示すように、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの中心部を、中心軸Ｏ１に対して２０度の角度で配置したものでは、同じ力で筐体１１を押したときの加算出力（ｉｉｉ）の変動が大きくなる。

図８は、横軸に、第１圧電センサＳ１ａの幅方向の中心を通る仮想線と第２圧電センサＳ２ａの幅方向の中心を通る仮想線の、中心軸Ｏ１に対する角度を示し、縦軸に前記加算出力（ｉｉｉ）の変動量を示している。図８から、第１圧電センサＳ１ａと第２圧電センサＳ２ａの中心部を、中心軸Ｏ１に対して４５度の角度で配置したときが、加算出力（ｉｉｉ）の変動が最も小さくなることが解る。

図６に示す検知回路１５で、図７（Ａ）に示す検知出力（ｉ）（ｉｉ）または加算出力（ｉｉｉ）が生成されるが、図１３に示す制御部４１において、前記検知出力（ｉ）（ｉｉ）（ｉｉｉ）を単独で使用しまたは組み合わせて使用することで、操作装置１０Ａ，１０Ｂの筐体１１（１１Ａ，１１Ｂ）を手で握って操作したときの操作信号を生成することができる。

例えば、図７（Ａ）に示す加算出力（ｉｉｉ）を使用することで、単に筐体１１が所定値以上の力で押されたかまたは握られたかを示す操作信号を生成することができる。図７（Ａ）に示す加算出力（ｉｉｉ）は、図４に示す断面において、３６０度のどの位置を押しても変動が少ないため、制御部４１では、加算出力（ｉｉｉ）をしきい値と比較し、しきい値を超えたら操作装置１０Ａ，１０Ｂが、ある程度強い力で押されたまたは握られたと判定することができる。また、制御部４１では、図７（Ａ）に示す第１圧電センサＳ１ａの出力（ｉ）と、第２圧電センサＳ２ａの出力（ｉｉ）を個別に取り出してその値を比較することで、中心軸Ｏ１を中心とする９０度の角度範囲で、筐体１１のどの位置が部分的に押されているかの推定を行うことも可能である。

図５は、筐体１１の内面における圧電センサの配置の変形例を示している。
図５に示す変形例では、第１仮想線Ｌ１上に第３圧電センサＳ３ａの中心が位置し、中心軸Ｏ１に対して第１仮想線Ｌ１と４５度の角度を有する第２仮想線Ｌ２上に第４圧電センサＳ４ａの中心が位置している。第３圧電センサＳ３ａと第４圧電センサＳ４ａは、中心軸Ｏ１を中心とする４５度の角度に相当する幅寸法を有している。また、中心軸Ｏ１を通り、第１仮想線Ｌ１と第２仮想線Ｌ２の角度を二分する第５仮想線Ｌ５が設けられ、第５仮想線Ｌ５上に第５圧電センサＳ５ａが設けられている。第５圧電センサＳ５ａも４５度の角度に相当する幅寸法を有している。

図５に示す配置例においても、第３圧電センサＳ３ａと中心軸Ｏ１を挟んで対称位置に第３対向圧電センサＳ３ｂを配置し、第４圧電センサＳ４ａと対称位置に第４対向圧電センサＳ４ｂを配置し、第５圧電センサＳ５ａと対称位置に第５対向圧電センサＳ５ｂを配置することが好ましい。対称位置にある圧電センサと対向圧電センサとを直列に接続することで、高い出力を得ることができる。

図５の配置例において、第３圧電センサＳ３ａと第４圧電センサＳ４ａと第５圧電センサＳ５ａの加算出力、さらに第３対向圧電センサＳ３ｂと第４対向圧電センサＳ４ｂと第５対向圧電センサＳ５ｂを加算した出力を得れば、この加算出力の変動は、図７（Ａ）に示す加算出力（ｉｉｉ）の変動幅よりもさらに小さくすることができ、分解能を高めることができる。

なお、図４では、第１圧電センサＳ１ａと第１対向圧電センサＳ１ｂを中心軸Ｏ１を挟んで対称位置に配置し、両圧電センサＳ１ａ，Ｓ１ｂの加算出力を得るようにしている。ただし、第１対向圧電センサＳ１ｂの中心を、第３仮想線Ｌ３上に位置させることもできる。この場合には、第１仮想線Ｌ１に沿う押圧力Ｆ１が与えられたときに、第１圧電センサＳ１ａに伸び歪みが与えられ、第１対向圧電センサＳ１ｂに圧縮歪みが与えられることになる。よって、第１圧電センサＳ１ａと第１対向圧電センサＳ１ｂから得られる電圧の差動出力を取ることで、大きな検知出力を得ることができる。これは、図４に示す第２圧電センサＳ２ａと第２対向圧電センサＳ２ｂとの関係、さらには図５に示す第３圧電センサＳ３ａと第３対向圧電センサＳ３ｂの関係などにおいても同じである。

なお、本発明では、筐体１１の内面に複数の圧電センサを設けたときに、個々の圧電センサを電気的に独立させ、それぞれの圧電センサからの検知出力を個別に監視することで、筐体１１のどの箇所が一番強く押されたのかの検出をも可能である。

図９は、本発明の第３の実施の形態の操作装置２０を示している。この操作体２０は球形状の筐体２１を有している。球形状の筐体２１は、合成樹脂材料は軽金属などで形成されており、比較的剛性が高いが、指で押されたときに歪みを発生できる肉厚寸法で形成されている。

図９に示す球形状の筐体２１において、球の中心Ｏ２を通る中心仮想線Ｌａと筐体２１とが交差する部分Ｐａで、中心Ｏ２に向かう押圧力Ｆ２を与えると、力の作用する部分Ｐａと、中心Ｏ２を挟んで部分Ｐａと対称位置にある部分Ｐｂで、筐体２１の内面に伸び歪みが発生する。ただし、Ｐ１を北極に例えたときの赤道ｈの周辺では、ほとんど歪みを発生しない。図９には、中心仮想線Ｌａに対して中心Ｏ２から４５度の角度の仮想線Ｌｂと球面との交点で形成される円弧軌跡Ｃ４が示されている。部分Ｐａが押されたときに歪みを検出できるのは、部分Ｐａを含んで円弧軌跡Ｃ４で囲まれた領域に限られ、円弧軌跡Ｃ４よりも赤道ｈの方向での領域で、ほとんど歪みが発生しない。

図１０（Ａ）に示す圧電センサの配置例では、球形状の筐体２１に内接する正多面体で、正８面体を想定したときに、その各頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆに対応する箇所に、図１０（Ｂ）に示す圧電センサＳａが配置されている。圧電センサＳａは圧電センサフィルムによって十字形状に形成されている。圧電センサＳａが、頂点Ｐｄの部分で筐体２１の内面に貼られる場合に、圧電センサＳａの４本の腕部は、頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｅに向くように取り付けられる。これは、他の頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｅ，Ｐｆの部分に圧電センサＳａを配置したときも同じである。

図１０に示すように、正８面体の頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆに圧電センサＳａを配置すると、球形状の筐体２１のどこを押しても、いずれかの圧電センサＳａで歪み速度などを検知できる確率が高くなる。しかし、各頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆのいずれかが押されたときに、図９に示す円弧軌跡Ｃ４のように、力作用部となる頂点からちょうど４５度離れた位置で、検知出力が低くなる。よって、筐体２１が球形状の場合には、正８面体の頂点Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆに圧電センサＳａを配置するとともに、さらに、いくつかの圧電センサＳａを追加して配置することが好ましい。この場合には、各頂点を結ぶ稜線ｔ１，ｔ２，ｔ３で囲まれる三角形の内部に相当する部分に圧電センサＳａを配置することが好ましい。

図１１に示す操作体２０では、球形状の筐体の内接する正多面体として正２０面体が設定されている。この正２０面体の頂点に対応する場所で、筐体２１の内面に図１１（Ｂ）に示す圧電センサＳｂが貼着される。圧電センサＳｂは５本の腕部を有している。圧電センサＳｂが例えば頂部Ｐｇに貼り付けられるときには、圧電センサＳｂの各腕部は、頂部を結ぶ稜線ｔａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ，ｔｅに向けて配置される。図１１に示す操作体では、複数の圧電センサＳｂが接近して配置されるため、押圧操作の分解能を高めることができる。

図１０と図１１において正多面体の各稜線で囲まれた三角形の領域内をさらに複数の三角形に分割して、それぞれの三角形の稜線に沿うように、圧電センサＳａ，Ｓｂを追加して設けることがさらに好ましい。

図９に基づいて説明したように、球形状の筐体２１では、力作用部から４５度以上の範囲から外れた箇所ではほとんど歪みが発生しない。そのため、筐体２１の内面に圧電センサＳａ，Ｓｂを複数個設ける場合に、全ての圧電センサを直列に接続することが可能である。筐体２１のいずれかの箇所が押されいずれか１個または複数の圧電センサが伸び歪みの速度などを検知したときに、筐体２１の他の領域の内面に圧縮歪みが生じにくいため、他の圧電センサが極性の異なる電圧を発生することがなくなる。そのため、複数の圧電センサを直列に接続した構造であっても、筐体１１のどこかの箇所が押圧されたことを検知することが可能である。

図１に示す操作装置１０Ａの筐体１１Ａの内部と、図２に示す操作装置１０Ｂの筐体１１Ｂの内部、および図９ないし図１１に示す操作装置２０の筐体２１の内部に図１２に示す力発生部３０が内蔵されている。

力発生部３０は、金属製などのケース３１を有しており、筐体１１Ａ，１１Ｂ，２１の内面にケース３１が固定されている。ケース３１の内部に、磁性材料で形成された棒状の振動体３２が設けられている。ケース３１の底部と振動体３２との間に下側の弾性支持部材３３ａが設けられ、ケース３１の天井部と振動体３２との間に上側の弾性支持部材３３ｂが設けられている。弾性支持部材３３ａ，３３ｂは板ばねである。振動体３２にコイル３４が巻かれており、ケース３１の内部において、振動体３２の両方の端部に磁石３５，３５が対向している。

力発生部３０では、コイル３４に、交流の駆動電流が与えられると、振動体３２の内部に誘導される磁界と、磁石３５からの磁界との間の吸引力および反発力に応じて、振動体３２が振動する。この振動力が、ケース３１から各筐体１１Ａ，１１Ｂ，２１に与えられる。

図１に示す操作装置１０Ａの筐体１１Ａの内部と、図２に示す操作装置１０Ｂの筐体１１Ｂの内部、および図９ないし図１１に示す操作装置２０の筐体２１の内部に回路基板が収納され、回路基板に各種電子回路が実装されている。図１３にブロック図が示されているが、回路基板に制御部４１が設けられている。制御部４１はＣＰＵとメモリを主体として構成されている。図１５に示す検知回路１５で得られた検知出力は制御部４１に与えられる。制御部４１で、の制御動作に基づいて、力発生部３０のコイル３４に駆動電流が与えられる。制御部４１では、検知回路１５からの検知出力に基づいて操作信号が生成され、操作信号がインターフェース４２を介して、図１に示す装置本体１または図２に示す装置本体３に与えられる。

図２に示す使用例のように、操作装置１０Ｂと装置本体３とがコード７で接続されているときは、操作信号はコード７によって装置本体３に与えられる。また装置本体３からコード７を経て操作装置１０Ｂに電力が供給される。図１に示す使用例のように、操作装置１０Ａと装置本体１との間が無線接続されているときは、図１３に示す回路に送受信部が含まれる。この場合には、筐体の内部に電池が内蔵される。しかし、圧電センサはそれ自体に電流が流れないため、消費電力はわずかである。

次に、前記操作装置１０Ａ，１０Ｂおよび２０の動作について説明する。
図１と図２に示すように、操作装置１０Ａ，１０Ｂの筐体１１（１１Ａ，１１Ｂ）は、片手で保持される。親指で筐体１１のいずれかの箇所が押されると、検知回路１５が圧電センサの電圧変化を検知して検知出力を生成し、制御部４１に与えられる。また、筐体１１が全ての指と手のひらとで握られたときも、圧電センサの電圧が変化し、検知回路１５から制御部４１に検知出力が与えられる。図９ないし図１１に示す球形状の操作装置２０では、筐体２１の一部が親指などで押されると、検知回路で検知出力が生成され、制御部４１に与えられる。

制御部４１は、検知回路１５から検知出力が与えられると、操作信号を生成し、インターフェース４２を介して操作信号を装置本体１または装置本体３に送る。装置本体１または装置本体３では、操作装置１０Ａ，１０Ｂ，２０から送られた操作信号に応じて、図１４（Ａ）（Ｂ）に示す表示装置２，６の表示画面８での表示画像の内容を変更させるなどの制御が行われる。

また、装置本体１または装置本体３から操作装置１０Ａ，１０Ｂ，２０へ、表示画面８の表示画像の変更などに対応したフィードバック信号が与えられる。操作装置１０Ａ，１０Ｂ，２０では、フィードバック信号に応じて、力発生部３０に駆動信号が与えられる。駆動電流が力発生部３０のコイル３４に与えられると、筐体１１Ａ，１１Ｂを指で押しまたは手で握るのと同時に力発生部３０内の振動体３２が振動する。または筐体２１を親指などで押圧するのと同時に力発生部３０内の振動体３２が振動する。これにより、操作部１０Ａ，１０Ｂまたは２０を操作したことを親指や手の感触で確かめることが可能になる。

力発生部３０で発せられる振動力の大きさや、間欠振動の周期などは、各操作装置１０Ａ，１０Ｂ，２０へ与えられる操作力の強弱や、表示装置２，６に表示されている画像の変化に連動させて変化させられる。これにより、操作者は、種々の操作条件に対応した操作反力を指や手で感じることが可能になる。

図１４（Ａ）は、図１に示す操作装置１０Ａまたは図２に示す操作装置１０Ｂが手で握られて操作されているときの、表示画面８の表示例を示している。この表示例では、表示画面８に手Ｈの画像と、物体の画像として卵Ｏａの画像が表示されている。操作装置１０Ａまたは１０Ｂの筐体１１Ａまたは１１Ｂを手で保持し、弱く握っているときは、卵Ｏａの画像はそのままである。手で筐体１１Ａ，１１Ｂを握る力が所定値以上になったと検知回路１５が検知すると、検知出力が制御部４１に与えられ、表示画面８に表示されている卵Ｏａの画像が割れて潰れるように変化する。このとき、力発生部３０から筐体１１Ａ，１１Ｂに振動が与えられ、手にはあたかも卵が潰れたかのような反力が作用する。特に、図２に示すようなブラインド操作では、実際に手で卵を潰したかのような感触を得ることができる。

図１４（Ｂ）は、図９ないし図１１に示す操作装置２０の筐体２１が手で保持されて操作されているときの、表示画面８の表示例を示している。この表示例では、表示画面８に手Ｈの画像と、球形の物体Ｏｂが表示されている。筐体２１の一部が指で押されると、物体Ｏｂの画像で親指が触れている部分がへこんだり、指で押された方向へ少し動いたりするように表示が変化する。この場合も、力発生部３０から筐体２１に振動が与えられ、手で操作反力を感じることができるようになる。

１ 装置本体
２ 表示装置
３ 装置本体
４ マスク型本体
６ 表示装置
８ 表示画面
１０Ａ，１０Ｂ 操作装置
１１，１１Ａ，１１Ｂ 筐体
１５ 検知回路
２０ 操作装置
２１ 筐体
３０ 力発生部
４１ 制御部
Ｌ１ 第１仮想線
Ｌ２ 第２仮想線
Ｏ１ 中心軸
Ｓ１ａ 第１圧電センサ
Ｓ１ｂ 第１対向圧電センサ
Ｓ２ａ 第２圧電センサ
Ｓ２ｂ 第２対向圧電センサ
Ｓａ，Ｓｂ 圧電センサ

Claims (9)

1. 手に保持可能な筐体を有する操作装置において、
   前記筐体は、中心軸の延びる方向である長手方向の寸法が、前記中心軸と直交する方向での幅寸法の最大値よりも大きく、
   前記筐体に外力が作用して歪みが発生したときに出力が変化する圧電センサと、前記圧電センサの検知出力から操作信号を生成する制御部と、が設けられ、
   複数の前記圧電センサは、それぞれ前記中心軸を中心とする周方向へ延び、且つ隣接する圧電センサどうしが、前記中心軸と平行な方向に見たときに一部が重複するように、前記周方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする操作装置。
2. 前記中心軸を挟んだ対称位置に圧電センサが配置されており、対称位置にある２個の前記圧電センサが直列に接続されている請求項１記載の操作装置。
3. 前記中心軸と直交する平面において、前記筐体に力を与える力作用部と前記中心軸とを通る線を第１仮想線とし、前記筐体の前記力による歪みが極小となる部分のうちの前記力作用部に最も近い部分と前記中心軸とを通る線を第２仮想線としたときに、
   前記第１仮想線上と前記第２仮想線上に、それぞれ異なる前記圧電センサの中心部が位置している請求項１または２記載の操作装置。
4. 前記第１仮想線と前記第２仮想線の成す角度が４５度である請求項３記載の操作装置。
5. 前記圧電センサの前記中心軸と平行な方向で重複している寸法は、それぞれの前記圧電センサの前記中心軸を中心とする周方向に向く幅寸法の１／２である請求項４記載の操作装置。
6. 前記第１仮想線上と前記第２仮想線上に位置する前記圧電センサは、前記周方向に８０〜９０度の角度の幅寸法を有している請求項５記載の操作装置。
7. 前記第１仮想線と前記第２仮想線の対向角度の範囲内に、前記中心軸を通る他の仮想線が設けられ、前記他の仮想線上に、幅方向の中心が位置する他の圧電センサが設けられている請求項３または４記載の操作装置。
8. 前記圧電センサは、前記筐体の内面に貼られた圧電フィルムセンサである請求項１ないし７のいずれかに記載の操作装置。
9. 前記筐体の内部に力発生部が設けられている請求項１ないし８のいずれかに記載の操作装置。

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